（计算机软件与理论专业论文）基于倒谱系数的数字音频零水印技术的研究.pdf

r e s e a r c ho fd i g i t a la u d i oz e r ow a t e r m a r kb a s e do n c e p s t r a lc o e f f i c i e n t s m a s t e rc a n di d a t e ：d a ik e w e i s u p e r v i s o r ：p r o f l iz h e n k u n m a y2 0 1 0 f a c u l t yo fc o m p u t e r g u a n g d o n gu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y g u a n g z h o u ，g u a n g d o n g ，p r c h i n a ，5 1 0 0 0 6 摘要 随着互联网技术和多媒体技术的高速发展，数字信息的传输变得越来越方 便。与此同时，由于数字信息很容易取得并传播，使得网络上充斥着未授权而被 篡改或复制的信息。因此，为了遏制非法侵犯产权的行为，对数字信息的版权保 护变得非常重要，数字水印技术为版权问题提供了一个有效的解决手段，具有非 常重要的应用前景。 在音频中嵌入数字水印是保护数字音频版权的一种非常重要的办法。传统的 数字音频水印技术在音频中嵌入水印后有两个缺陷：其一是在音频中加入水印以 后，不可避免的造成了音频品质的下降；其二是水印的鲁棒性和不可察觉性不能 彼此兼顾。 为了解决传统数字音频水印技术的这两个缺点，本论文引进了零水印机制， 将水印与音频特征结合在密钥中而不是音频本身，所以被保护的音频与原始音频 完全相同，从而解决音频品质下降的问题。在提取音频特征时，在对现有音频算 法的分析比较的基础上，提出两种改进的方法，在一定程度上减轻水印的强健性 和不可察觉性之间的矛盾。 本论文在数字音频中应用零水印技术。在萃取音频特征的过程中，提出两种 改进的方法。第一种萃取特征的方法是利用离散小波转换提供在频率的多重解析 度取音频的低频成分，结合语音识别中用以取得特征值的线性预估倒谱系数萃取 音频中的低频特征。第二种方法是根据梅尔刻度频率具有强调低频的特性，取得 强化音频低频的梅尔刻度倒谱系数作为音频特征。 接着在生成水印的过程中应用该方法，并详细介绍零水印的嵌入流程和还原 流程。最后，针对线性预估倒谱系数和梅尔刻度倒谱系数生成的密钥，对其进行 音频水印攻击测试。 实验结果显示测试音频经过如重新取样、重新量化、低通滤波、删除取样点 等各种攻击方式，论文中提出的方法仍然能够有效的还原出水印图像，并可辨别 出水印图像的基本特征。同时，实验结果也显示结合离散小波转换与线性预估倒 谱系数的方法萃取音频低频特征，优于直接使用强化音频低频的梅尔刻度倒谱参 i 广东工业大学硕士学位论文 数的萃取音频特征方法，而且以音频低频特征建立零水印的效果更佳。根据数字 音频水印的评价标准来看，实验的结果也是符合数字音频水印的技术需求。 关键词：数字音频，零水印，线性预估倒谱系数，梅尔刻度倒谱系数 n a b s t r a c t = i 自2i i l m li i i i 自 a b s t r a c t a st h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h ei n t e r n e tt e c h n o l o g ya n dm u l t i m e d i at e c h n o l o g y , t h ed i g i t a l i n f o r m a t i o nt r a n s m i s s i o ni sb e c o m i n gm o r ea n dm o r ec o n v e n i e n t m e a n w h i l e ，a st h er e s u l to f d i 西t a li n f o r m a t i o ne a s i l yo b t a i n e d ，a n ds p r e a do nt h ei n t e r n e ti s f i l l e dw i t hu n a u t h o r i z e d t a m p e r i n go rc o p yo fi n f o r m a t i o n t h e r e f o r e ，i no r d e rt oc u r bi l l e g a lb e h a v i o ro fi n f r i n g e m e n to f r i g h t s ，c o p ) n i g h tp r o t e c t i o no fd i g i t a li n f o r m a t i o nb e c o m e sv e r yi m p o r t a n t ，d i g i t a lw a t e r m a r k i n g t e c h n i q u ef o rc o p y r i g h ti s s u e sp r o v i d e sas o l u t i o nm e t h o d ，a n dh a si m p o r t a n ta p p l i c a t i o n p r o s p e c t i t sav e r yi m p o r t a n tw a yt op r o t e c tt h ec o p y r i g h to ft h ed i g i t a la u d i ow h i c hi sb a s e dt h e a u d i ow a t e r m a r k t h et r a d i t i o n a ld i g i t a la u d i ow a t e r m a r k i n gt e c h n i q u ei nt h i sa s p e c th a st w o d e f e c t s ：o n ei sa d d e di nt h ea u d i ow a t e r m a r k i n g ，i n e v i t a b l yc a u s e dt h ea u d i oq u a l i t y , t h es e c o n d i st h ew a t e r m a r k i n gr o b u s t n e s sa n d i m p e r c e p t i b l en o tb o t h i no r d e rt os o l v et h et r a d i t i o n a ld i g i t a la u d i ow a t e r m a r k i n gt e c h n i q u eo ft h e s et w of a u l t s ， t h i sp a p e ri n t r o d u c e dt h ez e r o - w a t e r m a r km e c h a n i s m ，t h ew a t e r m a r kc o m b i n i n g 谢t l la u d i o f e a t u r e si nt h ek e yo fi t s e l f , s oi n s t e a do fa u d i op r o t e c t e da u d i oa n do r i g i n a la u d i oe x a c t l yt h e s a m e ，a st os o l v et h ep r o b l e mq u a l i t yd e c l i n ea u d i o i ne x t r a c ta u d i of e a t u r e s ，o nt h ea n a l y s i so f e x i s t i n ga u d i oa l g o r i t h mi sp r o p o s e d ，b a s e do nt h ec o m p a r i s o no ft h et w oi m p r o v e dm e t h o d si na c e r t a i ne x t e n t ，e a s eo f w a t e r m a r k i n gr o b u s t n e s sa n d i m p e r c e p t i b l e i nt h i sp a p e r , w ea p p l i c a t i o nt h ed i g i t a la u d i oz e r o - w a t e r m a r k i n gt e c h n i q u e i nt h ep r o c e s s o ff e a t u r ee x t r a c t i o no fa u d i o ，p u tf o r w a r dt w oi m p r o v e dm e t h o d s t h ef i r s tk i n do ff e a t u r e e x t r a c t i o nm e t h o di st ou s ed i s c r e t ew a v e l e tt r a n s f o r mi nm u l t i p l er e s o l u t i o nt a k ea u d i o f r e q u e n c yl o wi ns p e e c hr e c o g n i t i o n ，c o m b i n i n gt h ee i g e n v a l u e sf o rl i n e a rc c p s t r t u nc o e f f i c i e n t s a r ee x t r a c t e de s t i m a t et h ef r e q u e n c yc h a r a c t e r i s t i c s t h es e c o n da p p r o a c hi sb a s e do nl o w f r e q u e n c yh a se m p h a s i z e dm e l f r e q u e n c y , s t r e n g t h e nt h ec h a r a c t e r i s t i c so ff r e q u e n c ya u d i o s c a l ec e p s t r u mc o e f f i c i e n t sa sm e l - f r e q u e n c ya u d i of e a t u r e s i nt h ef o r m a t i o np r o c e s so fw a t e r m a r k ，a n dt h ea p p l i c a t i o no ft h i sm e t h o da r ei n t r o d u c e di n d e t a i lt h ee m b e d d e dw a t e r m a r kz e r of l o wa n dr e s t o r ep r o c e s s f i n a l l y , t h ee s t i m a t ef o rl i n e a r 1 1 1 广东工业大学硕士学位论文 c c p s t n n uc o e f f i c i e n t sa n dm e l f r e q u e n c ec e p s t r u mc o e f f i c i e n t so fk e yg e n e r a t i o n ，c a r r i e so n t h e a u d i ow a t e r m a r k i n ga t t a c kt e s t t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a to u rs c h e m e sc a ng e tt h ee m b e d d e dw a t e r m a r kb a c ka f t e r t a k i n gs e v e r a la t t a c k s ，a n de x p e r i m e n t ss h o wt h a tt h er e c o v e r yp e r f o r m a n c eo fh i i g hs a m p l i n g r a t ea u d i ow h i c hu s e dt h ef i r s tm e t h o di sb e t t e rt h a nw h i c hu s e dt h es e c o n dm e t h o d t l 圮 s i m u l a t i o nr e s u l t ss a t i s f yt h ed i g i t a lw a t e r m a r kt e c h n i c a lp r o p e r t i e so ft r a n s p a r e n c y , r o b u s t n e s s ， u n a m b i g u i t y , s e c u r i t y , a n db l i n d n e s s t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sa l s oc o n f o r m st ot h ed i g i t a la u d i o w a t e r m a r k i n gt e c h n o l o g yr e q u i r e m e n t s k e yw o r d s ：d i g i t a la u d i o ，z e r o - w a t e r m a r k e t , l i n e a rp r e d i c t i o nc e p s t r a ic o e f f i c i e n t s , m e l f r e q u e n c yc e p s t r a lc o e f f i c i e n t s i v 目录 摘要i a b s t r a c t i i i 目录v c o n t e n t s v i i 第一章绪论1 1 1 研究背景1 1 2 国内外研究现状2 1 3 论文研究的目的和意义5 1 4 论文的主要研究内容及特色6 1 4 1 主要研究内容6 1 4 2 特色7 1 5 论文内容组织7 第二章数字音频水印技术9 2 1 数字音频的基本概念9 2 2 数字音频水印技术概述1 2 2 3 数字音频水印的基本模型1 2 2 4 数字音频水印的基本特性1 4 2 5 现有的数字音频水印算法1 6 2 5 1 时间域音频数字水印算法一1 6 2 5 2 变换域音频数字水印算法1 7 2 6 数字音频水印算法的不足及论文研究对象的引出1 9 2 7 本章小结2 0 第三章基于倒谱系数的数字音频零水印的实现2 l 3 1 零水印的相关研究2 1 3 1 1 零水印的音频特征2 3 3 2 倒谱系数的实现过程2 4 v 广东工业大学硕士学位论文 3 2 1 线性预估倒谱系数2 4 3 2 2 梅尔刻度倒频谱参数2 5 3 3 以线性预估倒谱系数萃取音频特征的实现流程2 6 3 3 1 零水印嵌入流程2 6 3 3 2 零水印还原流程2 8 3 4 以梅尔刻度倒谱系数萃取音频特征的实现流程3 0 3 4 1 零水印嵌入流程3 0 3 4 2 零水印的还原流程3 2 3 5 随机数列的产生过程3 2 3 6 本章小结3 4 第四章基于倒谱系数的数字音频零水印的测试3 s 4 1 数字音频水印的攻击方法3 5 4 2 数字音频水印的评价标准3 6 v i a b s t r a c t ( c h in e s e ) i a b s t r a c t ( e n g lis h ) i l l c o n t e n t s ( c h in e s e ) v c o n t e n t s ( e n g lis h ) v i i c h a p t e rli n t r o d u c t i o n 1 1 1r e s e a r c hb a c k g r o u n d 1 1 2t h er e s e a r c hs t a t u sh o m ea n da b r o a d 2 1 3t h ep u r p o s ea n dm e a n i n go f t h et h e s i s 5 1 4t h er e s e a r c hc o n t e n ta n df e a t u r eo f t h et h e s i s 。6 一 】【4 1t h er e s e a r c hc o n t e n t 6 1 4 2t h ef e a t u r e 7 1 5o r g a n i z a t i o no ft h et h e s i s 7 c h a p t e r2d i g i t a la u d i ow a t e r m a r k i n gt e c h n o l o g y 9 2 1t h eb a s i cc o n c e p to fd i g i t ma u d i o 9 2 2d i g i t a la u d i ow a t e r m a r k i n gm o d e l 1 2 2 3t h eb a s i cc h a r a c t e r i s t i c so f d i # t ma u d i ow a t e r m a r k i n g 1 4 2 4t h ee x i s t i n gd i g i t a la u d i ow a t e r m a r k i n ga l g o r i t h mi sp r o p o s e d 1 6 2 4 1t h et i m ed o m a i na u d i ow a t e r m a r k i n ga l g o r i t h mi sp r o p o s e d 。1 6 2 4 2t r a n s f o r ma u d i ow a t e r m a r k i n ga l g o r i t h mi sp r o p o s e d 17 2 5t h es h o r t a g eo fa u d i ow a t e r m a r k i n ga l g o r i t h ma n dt h et h e s i so f d e r i v i n g 1 9 2 6s u m m i n g - u po f t h i sc h a p t e r 2 0 c h a p t e r3t h er e a l i z a t i o no fd i g i t a la u d i oz e r o - w a t e r m a r kb a s e do nc e p s t r u m c o e f f i c i e n t s 2 1 3 1z e r o - w a t e r m a r kr e l a t e dr e s e a r c h 2 1 3 1 1z e r o w a t e r m a r ka u d i of e a t u r e s 2 3 3 2t h er e a l i z a t i o np r o c e s so f c e p s t r u mc o e f f i c i e n t s 2 4 v 广东工业大学硕士学住论文 3 2 1e s t i m a t eo f l i n e a rc e p s t r u mc o e f f i c i e n t s 2 4 3 2 2m e ls c a l ec e p s t r u mp a r a m e t e r s 2 5 3 3e s t i m a t et h el i n e a rc e p s t m mc o e f f i c i e n t se x t r a c ta u d i of e a t u r e so f r e a l i z a t i o n 2 6 3 3 1z e r ow a t e r m a r k i n ge m b e d d i n gp r o c e d u r e 2 6 3 3 2z e r ow a t e r m a r kr e d u c t i o np r o c e s s 2 8 3 4r e a l i z a t i o no fm e ls c a l ec e p s t r u mc o e f f i c i e n t sa r ee x t r a c t e da u d i of e a t u r e s 3 0 3 4 1z e r ow a t e r m a r k i n ge m b e d d i n gp r o c e d u r e 3 0 3 4 2z e r ow a t e r m a r kr e d u c t i o np r o c e s s 3 2 3 5t h e p r o c e s so f r a n d o ms e q u e n c e 3 2 3 6s u m m i n g - u po f t h i sc h a p t e r 3 4 c h a p t e r4t h et e s tc e p s t r u mc o e f f i c i e n t so fd i g i t a la u d i oz e r ow a t e r m a r k 3 5 4 1d i g i t ma u d i ow a t e r m a r k i n gm e t h o do f a s s a u l t 3 5 4 2d i g i t a la u d i ow a t e r m a r k i n ge v a l u a t i o ns t a n d a r d 3 6 4 3z e r ow a t e r m a r kt e s t 3 8 4 3 1t e s te n v i r o n m e n t 3 8 4 3 2d i f f e r e n tv o i c es i g n a lt e s t 4 0 4 3 3a t t a c ko nt h el o w f r e q u e n c yt e s t 4 1 4 3 4a t t a c ko nt h eh i 。g h f r e q u e n c yt e s t 4 2 4 4s u m m i n g - u po f t h i sc h a p t e r ”4 4 c h a p t e r5 c o n c l u s i o n 4 5 5 1s u m m a r i z e dt h ew o r kd o n e 4 5 5 2f u r t h e rr e s e a r c h 。4 5 r e f e r e n c e s 4 7 p u b l i c a t i o n sd u r i n gt h ep e r i o do fm a s t e r ss t u d y ”5 0 。p r o m e t h e a nd e c l a r a t i o n 5 1 a c k n o w l e d g e m e n t 5 2 v i i i 第一章绪论 第一章绪论 随着数字水印技术的应用需求的增长与研究的不断深入，数字水印技术已经 成为多媒体信息安全领域的一个研究热点。本文利用语音识别中提取音频特征的 方法，对其进行改进后，将其应用与数字音频零水印技术中。在本章中，主要回 顾数字音频水印的发展历史、国内外研究现状，并简单介绍本文的主要工作以及 内容安排。 1 1 研究背景 互联网的飞速发展使世界各地的人们方便、直接的进行信息交流。人们可以 通过i n t e m e t 发布自己的作品、视频等内容，而电子商务也通过网络为人们提供 各种各样的服务。伴随着这些便利，同时也出现了越来越重要的安全问题，例如， 数字多媒体产品的版权保护、软件产品的盗版、非法拷贝音像作品和文档、篡改 各种电子商务中的信息等等。如果不能有效的解决对音像制品与软件产品的盗版 问题，将最终损害生产商和消费者双方的利益，数字媒体产业和信息产业的发展 也会受到阻碍。因此如何有效地对数字化信息及其知识产权进行保护则成为现在 迫切需要解决的问题【l l 。 密码技术是最古老的信息安全和保密手段。密码学的任务就是解决两个合法 授权用户间的安全、保密通信，并能防止一切非授权的非法用户的窃听和伪造。 对于以上提出的安全问题，人们最开始考虑的方法是利用传统的加密手段来进行 处理。但是传统的密码学方案也存在着一定的缺陷，只能在某种程度上房子数字 化产品被非法使用。因此，人们开始寻找新的解决办法。随着对问题的深入研究， 提出了数字水印技术来解决版权保护的问题，在这种背景下，能够有效地实行版 权保护的数字水印( d i g i t a lw a t e r m a r k i n g ) 技术应运而生。 信息隐藏虽然是近几年来提出的一门新技术，但是其思想却是由来已久的， 可以追述到古代希腊。媒体的数字化表示使得这些思想有了新的表现形式，它将 信息嵌入到图像、视频、音频、文本文件等数字媒体中，从而实现对数字信息的 广东工业大学硕士学位论丈 保护。信息隐藏是利用人类感觉器官的不敏感性，以及数字信号本身存在的感觉 冗余等特性，将一个信号隐藏在另一个信号中。由于对外表现的只是第一个信号 的外部特征，并不改变其基本特性和使用价值，信息隐藏较之传统的密码加密技 术的优点在于：以信息隐藏方式所实现的隐藏通信，除通信双方外的任何第三方 并不知道秘密通信这一事实的存在，这就较之单纯的密码加密方法更多了一层保 护，使得网络加密机制从“看不懂”变为“看不见 。信息隐藏技术可以在安全 体系的诸多方面发挥重要的作用，而数字水印技术正是信息隐藏的一个方面。 数字水印技术是利用多媒体信息( 图像、视频、音频等) 中存在的冗余信息及 人类感知系统的特性，在不影响原内容的使用价值的前提下要把额外的信息( 即 水印) 隐藏到多媒体信息中去。数字水印技术是- - i i 新兴的多学科交叉的应用技 术，它的研究涉及了图像、视频、音频的信号处理和通信理论、密码学、信号压 缩、编码理论和人类听觉视觉理论等多门学科，它为最终解决数字产品版权保护 问题提供了很好的方向【2 1 。研究数字水印算法，一方面可以学习和跟踪国外的先 进技术和研究成果，另一方面也可以提高我国在知识产权保护方面的基础研究水 准，完善我国的知识产权保护体系，提高网络和通信的信息安全水平。因此，对 数字水印算法的研究，不仅具有现实的学术意义，而且具有长远的经济效益和社 会效益。 正是在这样的情况下，作为传统加密方法的有效补充和发展手段，信息隐藏 技术在近年来引起了学术界和产业界的高度重视。因此近年来国际信息技术研究 领域出现了一个新的研究方向信息隐藏技术。数字水印是信息隐藏技术的一个分 支，涉及了多个领域，如计算机科学、人类生理学、密码学、多媒体处理、数据 压缩、信息论和通信理论，具有非常重要的现实意义【3 】。研究数字水印技术的主 要意义在于可以有效的实现网络环境中数字产品的版权保护。数字水印技术将是 解决这类问题的一种最有效和最具潜力的技术。多媒体数字水印系统软件的开发 具有显著的经济效益和社会效益，对于规范数字化市场，促进信息产业的健康持 续发展具有极为重要的意义。 1 2 国内外研究现状 从上个世纪九十年代以来，越来越多的学者加入对数字水印技术的研究中 2 第一章绪论 来。在1 9 9 4 年的i e e e 国际图像处理会议( i n t e r n a t i o n a lc o n f e r e n c eo ni m a g e p r o c e s s i n g ，i c i v ) 上，s c h y n d e l 等人发表了题为“d i g i t a lw a t e r m a r k 的论文，被 认为是第一篇在主要会议上发表的关于数字水印技术的论文，其中第一次明确地 提出了数字水印的概念。从此以后，数字水印技术引起了各行各业的广泛关注， 并且迅速成为图像处理和多媒体信息安全领域的研究热点之一。1 9 9 6 年，在英 国剑桥牛顿研究所召开了第一届国际信息隐藏学术研讨会( i n f o r m a t i o nh i d i n g w o r k s h o p ) ，至今已成功举办了五届。国际光学工程学会( t h ei n t e r n a t i o n a ls o c i e t y f o ro p t i c a le n g i n e e r i n g ) 从1 9 9 9 年起，每年推出一本多媒体内容安全和数字水印 论文集，其论文涵盖了数字水印的主要研究方向，现在已经出版了第五辑。目前， 国际上许多大学、公司和研究机构，都在数字水印技术方面展开了深入的研究【4 】。 除了理论研究之外，数字水印技术在实际应用方面也取得了巨大的进展，许多数 字水印方面的专利已经被申请。 国内在数字水印技术方面的研究，也紧随着数字水印技术发展的最新步伐。 为了促进数字水印及其它信息隐藏技术的研究与应用，1 9 9 9 年，我国信息安全 领域的专家何德全院士、周仲义院士、蔡吉人院士与有关研究机构联合发起召开 了我国第一届信息隐藏学术研讨会，至2 0 0 2 年该会议已经举办了四届。国内有 不少大学和研究机构都有从事数字水印技术研究的人员。 数字水印技术作为多媒体通信和多媒体信号处理领域近年来的新的研究方 向，已有欧美一些著名大学和研究机构，如美国m 大学，英国剑桥大学，n e c 研究所，m m 研究所等都投入了相当的人力和财力，致力于该项技术的研究， 并取得一定的成果。一些公司已推出一些数字水印软件产品，如美国a d o b e s y s t e m $ 公司的图像编辑软件a d o b ep h o t o s h o p 中，就按标准安装了数字水印软 件，美国的n e c 研究所也开发了在图像中嵌入水印的软件t i g e r m a r k b l a d e 。 数字水印系统到目前为止，许多问题的研究尚处于初级阶段，当前围绕水印 系统尚待深入研究解决的关键问题主要包括： 1 算法分析。通过对现有的数字水印算法的稳健性、安全性、隐蔽性等特性 的研究，并结合数字信号处理技术，寻找出它们之间的关系，从而发现更好的数 字水印技术尚未得到充分的研究。目前主要的研究主要集中在这个方面。 2 水印基本原理的研究，包括水印理论模型、水印结构、水印嵌入策略、水 印检测算法、水印性能评价以及水印的标准化等，特别是算法性能的评价一直没 广东工业大学硕士学位论丈 有一个统一标准可供参考。 3 数字水印攻击分析和稳健性评价。攻击分析的目的在于找出现有系统的弱 点及其易受攻击的原因，然后加以改进，提高系统的稳健性，使水印技术具有广 泛的应用及商业价值。 相比图像的水印，研究音频水印的人要少得多。数字音频水印的嵌入算法大 体可以划分为时域算法和变换域算法两大类。时域中的算法主要是在时域中通过 修改音频采样值的最低有效位，轻微的改变音频信号幅度的方法，在信号中嵌入 一个随机序列。但是时域方法的鲁棒性比较差，研究的方向主要集中在变换域的 方法，主要的方法有下面几种：利用人耳的相位不敏感性，通过修改声音的傅立 叶变换系数的相位值来嵌入水印：把水印作为光谱噪声嵌入到声音数据中：利用 回声嵌入水印；有学者提出了采用与人类听觉系统的频域掩蔽特性相似的滤波器 对伪随机序列滤波的方法产生水印信号，并在时域中利用瞬时掩蔽特性对水印信 号进一步加权以保证水印的不可感知性，在原信号中当作一种加性噪声加入水印 信号：还有使用倒谱加入水印的方法；最近的一些文献利用小波变换的工具在小 波变换系数中嵌入水印信号。但是令人遗憾的是，目前还未有一种算法能有效的 抵抗各种攻击。 近年来音频信息隐藏技术的研究工作发展速度很快，尤其在变换域音频信息 的数据嵌入技术，由于其能将信息嵌入到载体的敏感区域，使得研究更具有实用 性。但是目前更多的文献是讨论如何设计数字水印方案或如何攻击数字水印，各 种方案或产品还都有着这样或那样的问题，尚缺乏有关数字水印的理论。如今还 有许多未触及的研究课题，现有技术也需要改进和提高。但总的来说，由于数字 水印的研究要以计算机科学、生理学、密码学、通信理论、算法设计和信号处理 等领域的思想和概念为基础，一个数字水印方案一般总是综合利用这些领域的最 新进展，但也无法避免这些领域固有的一些缺点。并且，数字水印的多学科性导 致数字水印技术研究的难度和复杂性【5 】。从理论和实际成果两方面来看，国内在 数字水印方面的研究工作还处于刚起步阶段。可以说数字水印技术还是处于其发 展初期阶段，从理论到实际都有许多问题有待解决。 4 第一章绪论 1 3 论文研究的目的和意义 非法传播造成的侵权问题日益严重，已经提出了许多不同的数字水印机制。 但是，大部分的水印机制都将焦点发在保护图像或视频的所有权，只有少数的数 字水印机制是针对音频的。由于人类的听觉系统的敏锐度远比人类视觉系统高， 无论数字水印是使用时间域或频率域的方法，嵌入水印的后果就是不可避免的导 致原始音频的品质降低。另外数字水印的鲁棒性和不可察觉性之间往往是无法兼 顾的问题，也使得设计数字水印的困难度也相对比较高。数字音频水印技术也是 基于数字音频作品的版权保护而提出来的，随着音频素材在互联网上的指数级增 加，数字音频水印技术有着十分广泛的应用前景：一方面，可以用音频水印技术 实现数字音频作品版权的保护和认证，这是水印技术最主要的应用。这样数字水 印就可以用来公正地解决所有权问题；另方面可以用于音频作品的盗版跟踪， 它的目的是传输合法接收者的信息而不是数据来源者的信息，主要用来识别数据 的单个发行拷贝。这一类应用在发行的每个拷贝中嵌入不同的水印，通常称之为 “数字指纹”：还可以用于拷贝保护等方面【6 1 。因此，数字音频水印处理算法的 研究，不仅具有现实的学术意义，而且具有长远的经济效益和社会效益。 数字水印技术有着其固有的特点和研究方法。例如，从信息安全的保密角度 而言，如果隐藏的信息被破坏掉，系统可以视为安全的，因为秘密信息并未泄露； 但是，在数字水印系统中，隐藏信息的丢失即意味着版权信息的丢失，从而失去 了版权保护的功能，这一系统就是失败的。因此数字水印技术必须具有较强的稳 健性、安全性和透明性。 本论文将零水印的概念应用于音频中，提出两种基于倒频谱参数的数字音频 零水印技术。第一种是根据梅尔刻度频率具有强调低频的特性，取得强化音频低 频的梅尔刻度倒频谱参数作为音频特征。第二种萃取特征的方法是利用离散小波 转换提供在频率的多重解析度截取音频的低频成分，结合语音识别中用以取得特 征值的线性预估倒频谱参数萃取音频低频特征。分别用取得的音频特征和水印做 互斥运算出生密钥，最后以密钥做数字时戳认证。整个过程没有更改原始音频记 录，所以加入水印后的音频仍然保有和原始音频相同的品质。 综上所述，本课题的研究目的就是通过将零水印技术应用于数字音频中的方 广东x - = l k 大学硕士学位论文 法来解决使用时间域或者转换域的方法存在的问题，因此本课题具有研究的理论 价值和现实意义。 1 4 论文的主要研究内容及特色 本文从了解数字水印技术的相关技术背景出发，在对现有的数字水印技术的 第一章绪论 4 对离散小波转换结合线性预估倒谱系数和梅尔刻度倒谱系数提取音频 特征的方法改进，同时在这个基础上详细描述了零水印的嵌入流程和还 原流程，并将其应用与数字音频零水印中。 1 4 2 特色 本论文是基于倒谱系数的数字音频零水印技术的研究，本课题的特色之处在 于以下两个方面： 1 对零水印技术模型和基本原理进行了深入的分析研究，并将其应用到数 字音频中； 2 对语音识别中取得音频特征的线性预估倒谱系数和梅尔刻度倒谱系数 的方法提出了改进，将离散小波转换与线性预估倒谱系数相结合，并将 其应用与数字音频零水印技术中； 1 5 论文内容组织 本文的主要